JP2005190980A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】扁平な燃料電池セルを用いた場合でも、燃料電池セルの外側電極に良好にガスを供給することが可能で、発電能力に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】少なくとも内側電極11の内側に形成されたガス通路16と、外側に形成された固体電解質12と、外側電極13と、前記内側電極11に接続され、燃料電池セル1の外側に露出したインタコネクタ14とを具備してなる複数の扁平状の燃料電池セル1間にガスが流通可能な3次元構造集電部材20を配置し、対向する前記燃料電池セル1同士を1〜8mmの間隔で電気的に接続して容器に収納したセルスタックであって、少なくとも、前記外側電極13の一部が露出してなるとともに、一方の燃料電池セル1のインタコネクタ14と、前記集電部材20により接続された他方の燃料電池セル1の外側電極13との間に形成される接続空間のうち、前記集電部材20が占める割合が2〜40体積%である。
【選択図】図2[Problem] To provide a fuel cell that is capable of satisfactorily supplying gas to an outer electrode of a fuel cell even when a flat fuel cell is used, and having excellent power generation capability.
A gas passage 16 formed inside at least an inner electrode 11, a solid electrolyte 12 formed outside, an outer electrode 13, and the inner electrode 11 are connected to each other and exposed outside the fuel cell 1. A three-dimensional structure current collecting member 20 that allows gas to flow between a plurality of flat fuel cells 1 including the interconnector 14 is disposed, and the opposing fuel cells 1 are 1 to 8 mm in length. A cell stack electrically connected at intervals and housed in a container, wherein at least a part of the outer electrode 13 is exposed, the interconnector 14 of one fuel cell 1 and the current collecting member In the connection space formed between the outer electrode 13 of the other fuel cell 1 connected by 20, the ratio of the current collecting member 20 is 2 to 40% by volume.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、燃料電池に関するもので、特に、電気的に連結された複数の燃料電池セルの集電特性が良好な燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having a good current collection characteristic of a plurality of electrically connected fuel cells.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.
図5は、従来の固体電解質型燃料電池の燃料電池セル31を示すもので、燃料電池セル31は、内部に燃料ガス通路32を有する円筒状の導電性支持管34の外周面に、サーメットからなる燃料極36、固体電解質38、導電性セラミックスからなる酸素極40を順次設けて構成されており、燃料極36、固体電解質38及び酸素極40によって覆われていない導電性支持管34の表面には、インターコネクタ42が設けられている。
FIG. 5 shows a
インターコネクタ42は、燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスにより形成されているが、この導電性セラミックスは、導電性支持管34の内部を流れる燃料ガスと酸素極4の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するために、緻密なものでなければならない。
The
燃料電池は、上記の構造を有するセルを複数集めて、収納容器内に収容して構成され、燃料極36の内部に燃料ガス(水素)を流し、酸素極40に空気(酸素)を流して600〜1000℃で発電される。
The fuel cell is configured by collecting a plurality of cells having the above-described structure and storing them in a storage container. The fuel cell is configured to flow fuel gas (hydrogen) through the
上述した燃料電池を構成する燃料電池セルにおいては、一般に、燃料極36が、Niと、Y2O3を含有するZrO2(YSZ)とから形成され、固体電解質38がY2O3を含有するZrO2(YSZ)から形成され、酸素極40はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から構成されている。
In the fuel cell constituting the fuel cell described above, generally, the
前記燃料電池セルは直線状にある一定の間隔をもって配置され、スタックを形成している。また、前記燃料電池セル間には集電体が挿入されている(特許文献1参照)。
従来、金属繊維をフェルト状に形成して集電体として用いられてきたが、金属繊維を用いているために集電体の断面積が小さくなっており、電気的な抵抗が大きくなっている。 Conventionally, metal fibers have been formed into a felt shape and used as a current collector. However, since metal fibers are used, the cross-sectional area of the current collector is reduced and the electrical resistance is increased. .
そして、このようなフェルト状集電体を用いた燃料電池では、集電ロスにより発電能力が燃料電池セルあたりの発電能力に対して、大きく下回るという問題があった。 And in the fuel cell using such a felt-shaped collector, there existed a problem that electric power generation capability fell greatly with respect to the electric power generation capability per fuel cell by the current collection loss.
また、フェルト状の集電体は、ガスの流通性に劣るため、フェルト状集電体と接続される外側電極にガスを供給することが困難であるという問題もあった。 Further, since the felt-shaped current collector is inferior in gas flow, there is a problem that it is difficult to supply gas to the outer electrode connected to the felt-shaped current collector.
ガスの供給に関して、詳細に説明すると、燃料電池セルを直線状にある一定の間隔をもって配置し、セルスタックを形成しているのであるが、この間隔が小さいと燃料電池セル間の外側電極に、ガスが十分に行き届かず、出力特性が劣化する。 The gas supply will be described in detail. The fuel cells are arranged in a straight line with a certain interval to form a cell stack. If this interval is small, the outer electrode between the fuel cells is Gas is not fully delivered and output characteristics deteriorate.
逆に、この間隔が大きすぎると、燃料電池として熱自立することが困難となるという問題もある。また、間隔が大きすぎると集電体の電気経路が長くなり抵抗が増加するという問題もある。 On the other hand, if this interval is too large, there is a problem that it becomes difficult to make the fuel cell self-supporting. Further, if the distance is too large, there is a problem that the electrical path of the current collector becomes long and the resistance increases.
本発明は、燃料電池セル間の外側電極に対して十分なガスの供給を確保するとともに、集電ロスを低減して、高出力の発電が可能となる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of ensuring sufficient gas supply to the outer electrodes between fuel cells, reducing current collection loss, and generating high output power. .
本発明の燃料電池は、少なくとも内側電極と、該内側電極の内側に形成されたガス通路と、内側電極の外側に形成された固体電解質と、該固体電解質の外側に形成された外側電極と、内側電極に接続され、燃料電池セルの外側に露出したインターコネクタとを具備してなる複数の扁平状の燃料電池セルを1〜8mmの間隔をおいて収納容器内に配列して収納し、前記複数の燃料電池セル間にガスが流通可能な板状集電体の3次元構造体により形成された集電体を配置し、対向する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるセルスタックを収納してなる燃料電池であって、少なくとも、前記外側電極の一部が露出してなるとともに、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、前記集電体により接続された他方の燃料電池セルの外側電極との間に形成される接続空間のうち、前記集電体が占める割合が2〜40体積%であることを特徴とする。 The fuel cell of the present invention includes at least an inner electrode, a gas passage formed inside the inner electrode, a solid electrolyte formed outside the inner electrode, and an outer electrode formed outside the solid electrolyte. A plurality of flat fuel cells connected to the inner electrode and exposed to the outside of the fuel cells are arranged and stored in a storage container at intervals of 1 to 8 mm, A cell stack in which a current collector formed by a three-dimensional structure of a plate-like current collector that allows gas to flow between a plurality of fuel cells is disposed, and the opposed fuel cells are electrically connected to each other A fuel cell comprising at least a part of the outer electrode exposed, and an interconnector of one fuel cell and the other fuel cell connected by the current collector. With the outer electrode Of the connection space formed between the proportion of the current collector is occupied, characterized in that 2 to 40 vol%.
また、本発明の燃料電池は、板状集電体の厚みを0.2〜2.0mmとすることが望ましい。 In the fuel cell of the present invention, the thickness of the plate current collector is preferably 0.2 to 2.0 mm.
また、本発明の燃料電池は、燃料電池セル同士の間隔を1.0〜5.0mmとすることが望ましい。 Moreover, as for the fuel battery | cell of this invention, it is desirable for the space | interval of fuel battery cells to be 1.0-5.0 mm.
また、本発明の燃料電池は、集電体が、基部に複数の集電片が形成された櫛歯形状であることが望ましい。 In the fuel cell of the present invention, it is desirable that the current collector has a comb-like shape in which a plurality of current collecting pieces are formed at the base.
また、本発明の燃料電池は、集電体が、波板形状の板状集電体であることが望ましい。 In the fuel cell of the present invention, the current collector is preferably a corrugated plate-like current collector.
本発明の燃料電池では、扁平状の燃料電池セル間を、従来用いられていたフェルト状の集電体に換えて、板状集電体を集電体として用いることで、集電体の低抵抗化を達成することができる。また、燃料電池セル間へのガスの流通性を向上させ、発電効率を向上させることができる。また、燃料電池セル間において、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極に囲まれて形成される空間のうち、集電体の占める割合を2〜40体積%とすることで、集電体の低抵抗化による集電ロスの低減と、外側電極へのガスの供給とを両立させることができ、発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。 In the fuel cell of the present invention, the flat current collector is replaced with a conventionally used felt current collector, and a plate-shaped current collector is used as a current collector. Resistance can be achieved. In addition, the gas flow between the fuel cells can be improved, and the power generation efficiency can be improved. Further, in the space formed by the interconnector of one fuel cell and the outer electrode of the other fuel cell between the fuel cells, the proportion of the current collector is 2 to 40% by volume. By doing so, it is possible to achieve both reduction of current collection loss due to lower resistance of the current collector and supply of gas to the outer electrode, and a fuel cell with excellent power generation performance can be provided.
特に、板状集電体の厚みを0.2mm以上とすることで、集電体の電気的抵抗を小さくすることができるとともに、集電体が曝される環境による集電体の劣化を抑制することができる。また、板状集電体の厚みを2mm以下とした場合には、集電体に弾性を付与することができるため、燃料電池セル間の接続を長期にわたって維持することができる。 In particular, by setting the thickness of the plate current collector to 0.2 mm or more, the electrical resistance of the current collector can be reduced, and the deterioration of the current collector due to the environment to which the current collector is exposed is suppressed. can do. Further, when the thickness of the plate-like current collector is 2 mm or less, elasticity can be imparted to the current collector, so that the connection between the fuel cells can be maintained over a long period of time.
また、燃料電池セル同士の間隔を1mm以上とすることで、セル間を流れる空気が充分となり、安定した発電が可能となる。また、燃料電池セル同士の間隔を5mm以下とすると集電体を流れる電流の抵抗が小さく安定した発電が可能となる。また、燃料電池セル同士の間隔が5mm以下であると、発電中に発生する熱が外部に逃げず発電に再利用でき、熱自立が可能となる。 Further, by setting the distance between the fuel cells to 1 mm or more, the air flowing between the cells becomes sufficient, and stable power generation is possible. Further, when the distance between the fuel cells is 5 mm or less, the resistance of the current flowing through the current collector is small, and stable power generation is possible. Further, if the distance between the fuel cells is 5 mm or less, the heat generated during power generation can be reused for power generation without escaping to the outside, and heat self-sustainment becomes possible.
また、集電体として、基部に複数の集電片が形成された櫛歯形状のものを用いる場合には、燃料電池セル間に集電体とガスの流路とをバランスよく、容易に形成することができる。また、集電片を互い違いに異なる方向に折り曲げた場合には、さらに加えて集電体に弾性を付与することができるため、容易に燃料電池セル同士を長期にわたって良好に接続することができる。 In addition, when using a comb-shaped one having a plurality of current collecting pieces formed at the base as the current collector, the current collector and the gas flow path are easily formed in a balanced manner between the fuel cells. can do. In addition, when the current collecting pieces are alternately bent in different directions, the current collectors can be additionally provided with elasticity, so that the fuel cells can be easily and satisfactorily connected to each other over a long period of time.
また、波板形状の板状集電体とした場合には、容易に集電体を形成することができるとともに、燃料電池セル間の間隔や、燃料電池セル間に占める集電体の体積などを容易に、自在に変化させることができる。 In addition, when the corrugated plate-shaped current collector is used, the current collector can be easily formed, the interval between the fuel cells, the volume of the current collector occupied between the fuel cells, etc. Can be changed easily and freely.
図1に示すように、全体として1で示す燃料電池セルは、断面が円筒平板状で、全体的に見て楕円柱状の支持基板10を備えている。支持基板10の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路16が形成されており、燃料電池セル1は、この支持基板10上に各種の部材が設けられた構造を有している。
As shown in FIG. 1, the fuel cell shown as 1 as a whole has a cylindrical flat plate cross section and includes a
支持基板10は、図1に示されている形状から理解されるように、平坦部と平坦部の両端の弧状部とからなっている。平坦部の両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部の一方の面と両側の弧状部を覆うように燃料極層11が設けられており、さらに、この燃料極層11を覆うように、緻密質な固体電解質層12が積層されており、この固体電解質層12の上には、燃料極層11と対面するように、平坦部の一方の表面から両側の弧状部にかけて酸素極13が積層されている。また、燃料極層11及び固体電極層12が積層されていない平坦部の他方の表面には、必要により接合層15を介してインターコネクタ14が形成されている。図1から明らかな通り、燃料極層11及び固体電解質層12は、インターコネクタ14の両サイドにまで延びており、支持基板10の表面が外部に露出しないように構成されている。
As can be understood from the shape shown in FIG. 1, the
上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層11の酸素極13と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極13の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板10内のガス通路16に燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極13で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層11の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。
In the fuel cell having the above structure, the portion of the
酸素極: 1/2O2+2e− → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H2 → H2O+2e− …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板10に取り付けられているインターコネクタ14を介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
The current generated by such power generation is collected via the
上記のような構造を有する本発明の燃料電池セルにおいて、支持基板10は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタを介しての集電を行うために導電性であることが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、鉄属金属成分と特定の希土類酸化物とから支持基板10を構成する。
In the fuel cell of the present invention having the above-described structure, the
鉄族金属成分は、支持基板10に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを鉄族成分として含有していることが好ましい。
The iron group metal component is for imparting conductivity to the
また希土類酸化物成分は、支持基板10の熱膨張係数を、固体電解質層12を形成している安定化ジルコニアと近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層12等への拡散を防止するために、希土類元素を含む酸化物Y2O3、Yb2O3が、上記鉄族成分と組合せで使用される。
The rare earth oxide component is used for approximating the thermal expansion coefficient of the
本発明においては、特に支持基板10の熱膨張係数を安定化ジルコニアと近似させるという点で、上述した鉄族成分は、支持基板10中に35〜65体積%の量で含まれ、希土類酸化物は、支持基板10中に35〜65体積%の量で含まれていることが好適である
上記のような鉄族金属成分と希土類酸化物とから構成される支持基板10は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板10の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
In the present invention, the iron group component described above is contained in the
また、支持基板10の平坦部の長さは、通常、15〜35mm、弧状部の長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板10の厚みは(平坦部の両面の間隔)は2.5〜5mm程度であることが望ましい。
The length of the flat portion of the
本発明において、燃料極層11は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2と、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層12の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
In the present invention, the
また、図1の例では、この燃料極層11は、インターコネクタ14の両サイドにまで延びているが、酸素極13に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極13が設けられている側の平坦部にのみ燃料極層11が形成されていてもよい。
Further, in the example of FIG. 1, the
この燃料極層11上に設けられている固体電解質層12は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Ybが望ましい。
The
酸素極13は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
The
支持基板10上に設けられているインターコネクタ14は、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、支持基板10の内部を通る燃料ガス及び支持基板10の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
The
インターコネクタ14の外面(上面)には、P型半導体17を設けることが好ましい。インターコネクタ14には、導電性の集電体20が接続されるが、集電体20を直接インターコネクタ14に直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。このようなP型半導体17としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。
A P-
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。 The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows.
先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。 First, a slurry is prepared by mixing an iron group metal such as Ni or its oxide powder, a rare earth oxide powder such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent, and extrusion using this slurry. A support substrate molded body is produced by molding and dried.
次に、燃料極層形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極層用のシートを作製する。また、燃料極層用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成してもよい。 Next, a fuel electrode layer forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a sheet for the fuel electrode layer is prepared using this slurry. Further, instead of producing a sheet for the fuel electrode layer, a paste in which the fuel electrode forming material is dispersed in a solvent is applied to a predetermined position of the formed support substrate and dried, and then the fuel electrode layer is formed. A coating layer may be formed.
さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質層用シートを作製する。 Furthermore, a stabilized zirconia powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a solid electrolyte layer sheet is prepared using this slurry.
上記のようにして形成された支持基板成形体、燃料極用シート及び固体電解質層用シートを、例えば図1に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持基板成形体の表面に燃料極層用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質層用シートのみを支持基板成形体に積層し、乾燥すればよい。 The support substrate molded body, the fuel electrode sheet, and the solid electrolyte layer sheet formed as described above are laminated so as to have a layer structure as shown in FIG. 1, for example, and dried. In this case, when the coating layer for the fuel electrode layer is formed on the surface of the support substrate molded body, only the solid electrolyte layer sheet may be laminated on the support substrate molded body and dried.
この後、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrO3系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。 Thereafter, the interconnector material (e.g., LaCrO 3 based oxide powder), an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, to produce the interconnector sheet.
このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層体を作製する。 This interconnector sheet is further laminated at a predetermined position of the laminate obtained above to produce a firing laminate.
次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含有するペースト、及び必要により、P型半導体形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けた。 Next, the above-mentioned fired laminate is subjected to binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an oxygen electrode forming material (for example, LaFeO 3) is placed at a predetermined position of the obtained sintered body. A paste containing a system oxide powder) and a solvent, and if necessary, a paste containing a P-type semiconductor forming material (for example, LaFeO 3 system oxide powder) and a solvent by dipping or the like, at 1000 to 1300 ° C. I baked it.
尚、支持基板10や燃料極層11の形成にNi単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Niが酸化されてNiOとなっているが、必要により、還元処理することにより、Niに戻すことができる。また、発電中に還元雰囲気に曝されるため、この時にもNiに還元されることになる。
In the case where Ni alone is used to form the
上記燃料電池セルを図2に示すように直列に配置してスタック構造にすることにより高電圧を得ることができる。燃料電池は耐熱金属もしくはセラミックからなるマニホールド(図示せず)に設置されている。また、燃料電池セルは封止および固定のためにガラスやセメントからなる固定材(図示せず)によりマニホールドに接続されている。燃料電池セルとセルの間には集電を目的とする集電体20が設置されている。集電体20は燃料電池セルの上記酸素極13とP型半導体17に電気的に接続されている。
A high voltage can be obtained by arranging the fuel cells in series as shown in FIG. 2 to form a stack structure. The fuel cell is installed in a manifold (not shown) made of a refractory metal or ceramic. The fuel cells are connected to the manifold by a fixing material (not shown) made of glass or cement for sealing and fixing. A
ここで示した例によれば、この燃料電池セルの外側電極は酸素極層13であるために、発電に必要な空気はこの燃料電池セルの外側に供給され、特に、燃料電池セル間の隙間を通過させる必要がある。
According to the example shown here, since the outer electrode of the fuel cell is the
燃料電池セル間に配置する集電体20として、板状集電体を用いることが集電体の電気抵抗を減少させるという観点から重要であり、ここで示した例のように、集電体20が酸化性雰囲気に曝される場合には、特に、集電体20として表面積が小さくなる板状集電体を用いることが重要である。
The use of a plate-like current collector as the
また、この燃料電池セル間の間隔は外側電極にガスを良好に流通させるという観点から、1mm以上とすることが望ましく、2mm以上とすることがさらに望ましい。 In addition, the distance between the fuel cells is preferably 1 mm or more, and more preferably 2 mm or more, from the viewpoint of favorably flowing gas to the outer electrode.
また、燃料電池を小型化し、発電効率を向上させるという観点からは、5mm以下とすることが望ましく、さらに、4mm以下とすることでコンパクトで発電効率が高く、熱自立性に優れた燃料電池を提供することができる。 Further, from the viewpoint of reducing the size of the fuel cell and improving the power generation efficiency, it is desirable to make it 5 mm or less, and further, by making it 4 mm or less, a fuel cell that is compact and has high power generation efficiency and excellent thermal self-sustainability. Can be provided.
また、燃料電池セル間の空間のうち、集電体が占める割合を2体積%以上とすることで、集電体20の電気的抵抗を小さくし、集電ロスを小さくすることができる。また、集電体20が占める割合を、5体積%以上、特に、10体積%以上とした場合には、さらに集電ロスを低減でき、燃料電池の発電能力を向上させることができる。
Moreover, the electrical resistance of the
また、集電体20が占める割合を40体積%以下とすることで、外側電極へのガスの供給流路を確保することができ、燃料電池セルの発電を阻害することがない。特に、集電体20が占める割合を30体積%以下とした場合には、集電ロスの低減とガスの供給の維持を同時に高いレベルで達成することができる。
In addition, by setting the ratio of the
集電体20として用いられる板状集電体は、外側電極へのガスの供給を妨げない範囲で種々の形態とすることができ、例えば、図3に示すような櫛歯状の集電体や、図4に示すような主面に凹凸を有する板状の集電体が好適に用いられる。
The plate-like current collector used as the
そして、このような集電体20と外側電極とは、所定の間隔をおいて接続部とガス流通部とが交互に形成されるように接続されることが望ましい。
The
また、特に燃料電池セルスタックの構造により、ガスの供給に難がある部分においては他の部分よりも、集電体20の占める割合を小さくして、ガスの流通量が多くなるように、燃料電池セルと集電体20とを接続することが望ましい。
Further, particularly in the structure where the fuel cell stack is used, the portion where the gas supply is difficult is smaller than the other portions, and the proportion of the
このような集電体としては、Fe、Crなどを含有する耐熱性金属が好適に用いられる。 As such a current collector, a heat resistant metal containing Fe, Cr or the like is preferably used.
なお、本発明の燃料電池は上記した例のみならず、多種の形態の板状集電体を用いてもよいことは言うまでもない。 In addition, it cannot be overemphasized that the plate-shaped electrical power collector of not only the above-mentioned example but various forms may be used for the fuel cell of this invention.
平均粒径0.5μmのNiO粉末或いはNi粉末と、Y2O3粉末(平均粒径は0.8〜1.0μm)を、焼成後における体積比率が、焼成後にNiOは、Ni換算で65体積%となり、Y2O3は35体積%となるように混合した。 NiO powder or Ni powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder (average particle size is 0.8 to 1.0 μm) have a volume ratio after firing, and NiO is 65 in terms of Ni after firing. next vol%, Y 2 O 3 were mixed so that 35% by volume.
上記の混合粉末に、増孔剤、有機バインダー(ポリビニルアルコール)と、水(溶媒)とを混合して形成した支持基板用スラリーを直方体状に押出成形し、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。得られた成形体を脱バインダー処理し、大気中にて1000℃で仮焼した。 A support substrate slurry formed by mixing the above-mentioned mixed powder with a pore-forming agent, an organic binder (polyvinyl alcohol) and water (solvent) is extruded into a rectangular parallelepiped shape, and a flat support substrate molded body is obtained. Prepared and dried. The obtained molded body was debindered and calcined at 1000 ° C. in the air.
次に、8モル%Y2O3を含有するZrO2(YSZ)粉末と、NiO粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて燃料極層形成用シートを作製し、また、上記YSZ粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、トルエンからなる溶媒とを混合したスラリーを用いて、固体電解質層用シートを作製し、これらのシートを積層した。 Next, for forming a fuel electrode layer using a slurry obtained by mixing ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% Y 2 O 3 , NiO powder, organic binder (acrylic resin), and solvent (toluene). A sheet was prepared, and a sheet for a solid electrolyte layer was prepared using a slurry in which the YSZ powder, an organic binder (acrylic resin), and a solvent made of toluene were mixed, and these sheets were laminated.
この積層シートを、上記支持基板用成形体に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように(図1参照)巻き付け、乾燥した。 The laminated sheet was wound around the support substrate molded body so that both ends thereof were separated from each other with a predetermined interval (see FIG. 1), and dried.
一方、平均粒径2μmのLaCrO3系酸化物粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて、インターコネクタ用シートを作製し、このシートを、上記積層シートにおける支持基板用成形体の露出部分に積層し、支持基板用成形体、燃料極層用シート、固体電解質層用シートからなる焼結用積層シートを作製した。 On the other hand, an interconnector sheet was prepared using a slurry in which an LaCrO 3 oxide powder having an average particle diameter of 2 μm, an organic binder (acrylic resin), and a solvent (toluene) was mixed. A laminated sheet for sintering was prepared by laminating on the exposed portion of the support substrate molded body in the sheet, and comprising a support substrate molded body, a fuel electrode layer sheet, and a solid electrolyte layer sheet.
次に、この焼結用積層シートを脱バインダー処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。 Next, the laminated sheet for sintering was subjected to binder removal treatment and co-fired at 1500 ° C. in the atmosphere.
得られた焼結体を、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、溶媒(ノルマルパラフィン)をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に酸素極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されているインターコネクタの外面に塗布し、P型半導体用コーティング層を設け、さらに、1150℃で焼き付け、図1に示すような燃料電池セルを作製した。 The obtained sintered body was immersed in a paste made of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder having an average particle diameter of 2 μm and a solvent (normal paraffin), and sintered. A coating layer for oxygen electrode is provided on the surface of the solid electrolyte layer formed on the body, and at the same time, the paste is applied to the outer surface of the interconnector formed on the sintered body, and a coating layer for P-type semiconductor is provided, Furthermore, it baked at 1150 degreeC and produced the fuel battery cell as shown in FIG.
上記方法で焼結後、電極面積が95.0×24.5mm、セル自体の長さが130mm、幅が25mm、厚みが3.2mmの燃料電池セルを作製した。またセル内部に燃料が流れるように、押し出し成形時に作製された6個の穴は焼結後、直径1.6mmになった。 After sintering by the above method, a fuel cell having an electrode area of 95.0 × 24.5 mm, a cell length of 130 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 3.2 mm was produced. In addition, the six holes produced during extrusion molding had a diameter of 1.6 mm after sintering so that fuel would flow inside the cell.
そして、これらの燃料電池セル間に図3に示した櫛歯形状の板状集電部材の寸法を表1に示すように変化させて挟持させ、一対の燃料電池セルと集電体とからなるユニットを作製し、750℃で発電試験を行った。 Then, the size of the comb-shaped plate-like current collecting member shown in FIG. 3 is changed between these fuel cells, as shown in Table 1, and is sandwiched between a pair of fuel cells and a current collector. A unit was prepared and a power generation test was performed at 750 ° C.
そして、750℃で安定して発電を行った際の発電効率は、得られた出力を使用した水素のエネルギーで除して計算した。 The power generation efficiency when power was generated stably at 750 ° C. was calculated by dividing the obtained output by the energy of hydrogen using the output.
なお、集電体と燃料電池セルの間にはAg粉末を含有する導電ペーストを介在させて、熱処理を行い、集電体と燃料電池セルとを接合した。 In addition, it heat-processed by interposing the electrically conductive paste containing Ag powder between a collector and a fuel battery cell, and the collector and the fuel battery cell were joined.
なお、比較例として従来用いられているNiフェルトからなる集電部材を用いた試験も行った。
表1から明らかなように本発明の範囲外である集電体として従来のフェルト状集電体を用いた試料No.13では、出力が11.8Wであり、明らかに出力が低いことがわかる。 As is apparent from Table 1, the sample No. using a conventional felt-shaped current collector as the current collector which is outside the scope of the present invention. In 13, the output is 11.8 W, clearly showing that the output is low.
一方、集電体として櫛歯形状の板状集電部材を用い、燃料電池セル同士の間の集電体の占める体積分率が2〜40体積%である試料No.2〜7、9〜12では、従来のフェルト状集電体を用いた試料No.13と比較して、30.1W以上の出力、41.7%以上の発電効率が得られ、格段に大きな出力と発電効率が達成された。 On the other hand, using a comb-like plate-like current collecting member as the current collector, the sample volume of the sample No. In Nos. 2 to 7 and 9 to 12, sample Nos. Using conventional felt-shaped current collectors were used. Compared with 13, an output of 30.1 W or higher and a power generation efficiency of 41.7% or higher were obtained, and a significantly higher output and power generation efficiency were achieved.
なお、集電体として櫛歯形状の板状集電部材を用いてはいるものの、燃料電池セル同士の間の集電体の占める体積分率が2%未満の試料No.1、並びに燃料電池セル同士の間の集電体の占める体積分率が40体積%を越える試料No.8では、試料No.13よりは、高い出力と発電効率を得られるものの、本発明の燃料電池と比較すると出力、発電効率ともに低くなった。 Although a comb-like plate-like current collecting member is used as the current collector, the sample volume of the current collector occupied by the current collector between the fuel cells is less than 2%. 1 and Sample No. in which the volume fraction occupied by the current collector between the fuel cells exceeds 40% by volume. In sample No. 8, sample no. Although higher output and power generation efficiency than 13 can be obtained, both output and power generation efficiency are lower than those of the fuel cell of the present invention.
1:燃料電池セル
10:電極支持基板
11:燃料極
12:固体電解質
13:酸素極
14:インターコネクタ
17:P型半導体
20:集電体
20a:櫛歯形状集電材の集電片
20b:櫛歯形状集電材の基部
20c:板状集電材の集電片
20d:板状集電材の基部
30:勘合体
1: Fuel cell 10: Electrode support substrate 11: Fuel electrode 12: Solid electrolyte 13: Oxygen electrode 14: Interconnector 17: P-type semiconductor 20:
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